Bioengenharia de dispositivos híbridos hierárquicos com capacidade de auto oxigenação

Descrição

A engenharia de tecidos surgiu como uma solução alternativa para fornecer suportes estruturais temporários no local do defeito até que o tecido nativo seja regenerado endogenamente e a função normal seja restaurada. Apesar dos progressos realizados nos últimos 20 anos, ainda não é possível abordar toda a complexidade e propriedades multifuncionais, de modo a que dispositivos híbridos que combinam células e biomateriais, possam conduzir a tecidos humanos funcionais, em particular no caso de tecidos e órgãos altamente vascularizados.Uma abordagem integradora que reúna os principais requisitos do processo regenerativo (i) através do fornecimento de oxigénio e estabelecendo redes vasculares e (ii) permitindo que as células se auto-organizem em ambientes adequados, é ainda necessária para trazer os dispositivos de bioengenharia para o domínio dos cuidados clínicos padrão.O projecto O2CELLS pretende estar na vanguarda de uma nova geração de dispositivos avançados: (i) explorando biomateriais de base natural para este processo de bioengenharia bottom-up que combinará microalgas com capacidade de oxigenação e células progenitoras de tecidos humanos em arranjos estruturais originais, ajustados para estimular a regeneração de tecidos vascularizados num sistema simbiótico; (ii) combinando estes “ingredientes” em dispositivos multi-escala concebidos com macro-arquitecturas precisas, onde as células podem aglomerar livremente sob o efeito de sinais mecânicos e bioquímicos apropriados.O projecto explorará estes princípios para desenvolver uma plataforma modular versátil capaz de criar construções híbridas hierarquicamente organizadas, aplicando uma combinação fundamentalmente nova de "ingredientes" e desenhos inovadores: (i) microalgas fotossintéticas com a capacidade de fornecer O2 às células on demand mediante exposição à luz; (ii) polissacarídeos para produzir transportadores (“LOCC”) para acomodar essa carga “viva” e actuar como substratos onde as células estaminais mesenquimais (MSC) poderão aderir e proliferar; (iii) MSC e células endoteliais do cordão umbilical (HUVEC), uma vez que os tecidos perinatais são uma fonte promissora de células estaminais, proteínas e factores de crescimento para aplicações terapêuticas; (iv) tecnologias para encapsular os “LOCC” e MSC em cápsulas liquefeitas ("Pockets"), permitindo a livre organização das células para gerar os tecidos desejados, inclusive em condições dinâmicas desencadeadas por um campo magnético externo; e (v) proteínas derivadas da membrana amniótica funcionalizadas com grupos covalentes dinâmicos para biofabricar hidrogéis.No cerne do projecto, os “LOCC” serão produzidos encapsulando microalgas dentro de microesferas de alginato revestidas com um polímero de carga oposta, funcionalizados com pontos de adesão para as células, que promovem a ancoragem e proliferação de MSC, assegurando a captura e libertação de CO2 e O2 respectivamente. Os “LOCC” serão combinados com MSC em “Pockets” que irão confinar todos os ingredientes necessários para o desenvolvimento de microtecidos de uma forma independente e auto-regulada, sendo um exemplo paradigmático do novo conceito de materiais “vivos”. A cinética de degradação da membrana dos “Pockets” será controlada enzimaticamente. Num nível superior de escala, “Pockets” empacotados serão acomodados num dispositivo final desejavelmente implantável, conectado pelo hidrogel dinâmico desenvolvido utilizando metodologias de processamento de bioimpressão 3D. Ao incluir nanopartículas magnéticas, será também possível estimular o movimento interno destes microtransportadores dentro dos “Pockets”, permitindo uma cultura dinâmica da carga biológica utilizando campos magnéticos externos, antecipando um conceito completamente novo de biorreactor in vivo.Esta proposta combina uma multiplicidade de conceitos individualmente pioneiros que poderão ser virtualmente utilizados na bioengenharia de distintos tecidos humanos, quer para terapias como para o desenvolvimento de modelos de doenças. No entanto, a prova de conceito centrar-se-á na regeneração óssea in vitro, onde células endoteliais serão incluídas no hidrogel dinâmico que une os “Pockets” aglomerados. Será utilizado um conjunto de técnicas avançadas para optimizar a organização multi-escala do dispositivo (incluindo o seu ecossistema biológico) e a caracterização biológica e estrutural do tecido formado.Ao combinar todos os elementos e tecnologias descritas, O2CELLS propõe ferramentas únicas para a engenharia de um sistema auto-sustentável com organização e geometria compatíveis genericamente com qualquer tecido e defeito. Com este conceito pioneiro, espera-se contribuir para resolver um dos maiores desafios da bioengenharia e conceber uma plataforma ampla para a engenharia de tecidos. Uma vez superados com sucesso todos os desafios do projecto, a nossa tecnologia tem o potencial de ser excepcionalmente proveitosa para as comunidades científica e médica.